A usinagem por descarga elétrica (EDM) e a usinagem eletroquímica (ECM) só podem processar materiais metálicos condutores e não podem trabalhar com materiais não metálicos não condutores.
Em contraste, a usinagem ultrassônica (USM) não só permite o processamento de materiais metálicos frágeis e duros, como ligas duras e aço endurecido, mas também é mais adequada para trabalhar com materiais não metálicos não condutores, como vidro, cerâmica, semicondutores. , germânio e wafers de silício.
Além disso, o USM pode ser usado para aplicações como limpeza, soldagem e testes não destrutivos.
A soldagem ultrassônica utiliza ondas de vibração de alta frequência transmitidas às superfícies de dois objetos que precisam ser soldados. Sob pressão, as duas superfícies esfregam uma contra a outra, resultando na fusão entre as camadas moleculares.
Os componentes necessários para a soldagem ultrassônica incluem um gerador ultrassônico, um conversor, um booster e ferramentas de soldagem.
I. Princípios de Usinagem Ultrassônica
Os componentes principais de um sistema de soldagem ultrassônica incluem um conjunto trio de gerador ultrassônico, transdutor, boosters, cabeçote de soldagem, molde e estrutura.
A soldagem ultrassônica envolve a conversão de uma corrente de 50/60 Hz em energia elétrica de 15, 20, 30 ou 40 KHz por meio de um gerador ultrassônico. A energia elétrica de alta frequência convertida é novamente transformada em movimento mecânico da mesma frequência através de um transdutor.
Posteriormente, o movimento mecânico é transferido para a cabeça de soldagem através de um conjunto de dispositivos de reforço que podem alterar a amplitude. A cabeça de soldagem transmite a energia vibracional recebida para a junta da peça a ser soldada. Nesta região, a energia vibracional é convertida em energia térmica através do atrito, fundindo as áreas que precisam ser soldadas.
O ultrassom pode ser usado não apenas para soldar metais e plásticos termoendurecíveis, mas também para processar tecidos e filmes.
Especificamente, a usinagem ultrassônica (USM) é um método de processamento de materiais duros e quebradiços através do uso de vibração ultrassônica na face final da ferramenta, combinada com a ação da suspensão abrasiva.
O USM é o resultado dos efeitos combinados de impacto mecânico e retificação abrasiva causados pela vibração dos abrasivos sob ondas ultrassônicas, sendo o impacto contínuo dos abrasivos o principal fator.
Durante o processo de usinagem ultrassônica, uma suspensão de mistura líquida e abrasiva é introduzida entre o cabeçote da ferramenta e a peça. Uma leve pressão é aplicada na direção da vibração da cabeça da ferramenta.
A frequência ultrassônica gerada pelo gerador ultrassônico é transformada em vibrações mecânicas pelo transdutor. A amplitude é amplificada para 0,01-0,15 mm pela haste de amplitude e depois transmitida para a ferramenta.
A face final da ferramenta é acionada para vibrar ultrassonicamente, fazendo com que as partículas abrasivas na suspensão impactem continuamente e triturem a superfície da peça de trabalho em alta velocidade. Isto resulta na trituração do material na área de usinagem em partículas finas, que são então removidas do material.
Embora cada impacto remova uma pequena quantidade de material, a alta frequência de mais de 16.000 impactos por segundo permite uma certa velocidade de processamento.
Ao mesmo tempo, o impacto hidráulico e o fenômeno de cavitação causado pela vibração ultrassônica na extremidade da ferramenta resultam na penetração do líquido nas fissuras do material da peça, acelerando o processo de destruição.
O impacto hidráulico também força o fluido de trabalho da suspensão a circular na folga de usinagem, garantindo a renovação oportuna das partículas abrasivas desgastadas.
1) Princípio da soldagem ultrassônica de metais
O princípio da soldagem ultrassônica de metais envolve a utilização de energia vibracional mecânica em frequências ultrassônicas (excedendo 16KHz) para conectar metais idênticos ou diferentes de uma maneira única.
Durante o processo de soldagem ultrassônica, nenhuma corrente é transmitida à peça de trabalho, nem é aplicada uma fonte de calor de alta temperatura. A energia vibracional é simplesmente convertida em trabalho de fricção e energia de deformação entre as peças, juntamente com um aumento limitado de temperatura, sob pressão estática.
A ligação termoquímica entre as juntas é um processo de soldagem no estado sólido que ocorre sem a fusão do material original. Como tal, supera eficazmente os problemas de respingos e oxidação que ocorrem durante a soldagem por resistência.
As máquinas de soldagem ultrassônica de metal podem realizar soldagem de ponto único, soldagem multiponto e soldagem de tira curta em fios finos ou folhas finas de metais não ferrosos como cobre, prata, alumínio e níquel. Eles são amplamente utilizados para soldar cabos de tiristores, tiras de fusíveis, cabos elétricos, peças polares de baterias de lítio e orelhas polares.
2) Princípio da soldagem plástica ultrassônica
Quando as ondas ultrassônicas atuam na superfície de contato dos materiais termoplásticos, elas geram vibrações de alta frequência dezenas de milhares de vezes por segundo. Essa vibração de alta frequência, ao atingir determinada amplitude, é transmitida para a área de soldagem através da soldagem, convertendo energia ultrassônica em calor.
A resistência sonora na junção das duas soldas na área de soldagem é grande, gerando altas temperaturas locais. Devido à má condução de calor dos plásticos, o calor não pode ser dissipado imediatamente e se acumula na área de soldagem, fazendo com que as superfícies de contato dos dois plásticos derretam rapidamente.
Com a aplicação de uma certa pressão, os plásticos são fundidos em um só. Quando as ondas ultrassônicas cessam, a pressão é mantida por alguns segundos para permitir a solidificação, formando uma cadeia molecular robusta para atingir o propósito de soldagem. A resistência da soldagem pode se aproximar da resistência do material original.
A qualidade da soldagem plástica ultrassônica depende de três fatores: a amplitude da cabeça de soldagem do transdutor, a pressão aplicada e o tempo de soldagem. Tanto o tempo de soldagem quanto a pressão da cabeça de soldagem podem ser ajustados, enquanto a amplitude é determinada pelo transdutor e pela haste de amplitude.
Esses três fatores interagem e têm um valor ótimo. Quando a energia excede esse valor ideal, a quantidade de plástico derretido é alta e o material soldado fica sujeito à deformação.
Se a energia for muito baixa, a solda resultante não será firme e a pressão aplicada também não deverá ser muito alta. A pressão ideal é o produto do comprimento da borda da peça soldada e a pressão ideal por milímetro da borda.
II. Características da usinagem ultrassônica
1. Ampla gama de aplicações:
a. Pode processar metais tradicionalmente difíceis de usinar e materiais não metálicos, como aço endurecido, aço inoxidável, titânio, ligas e, especialmente, materiais não metálicos não condutores, como vidro, cerâmica, quartzo, silício, ágata, pedras preciosas e diamantes . Também pode processar materiais metálicos duros condutores, como aço endurecido e ligas duras, embora com menor produtividade.
b. Adequado para processar furos profundos, peças de paredes finas, hastes delgadas, componentes de baixa rigidez e peças de formatos complexos com altos requisitos.
c. Ideal para usinagem de precisão de componentes de alta precisão e baixa rugosidade superficial.
2. Baixa força de corte e consumo de energia:
Devido ao impacto instantâneo localizado, a usinagem ultrassônica impõe uma força de corte macroscópica mínima, resultando em redução da tensão de corte e do calor.
3. Alta precisão de usinagem e baixa rugosidade superficial:
A usinagem ultrassônica pode atingir alta precisão de usinagem (precisão dimensional de até 0,005-0,02 mm) e baixa rugosidade superficial (valor Ra de 0,05-0,2). O processo não deixa tensões residuais ou marcas de queimadura na superfície usinada, tornando-o adequado para paredes finas, vãos estreitos e componentes de baixa rigidez.
4. Adequado para processar cavidades de formato complexo e superfícies moldadas.
5. As ferramentas podem ser feitas de materiais relativamente macios com formas complexas.
6. O equipamento de usinagem ultrassônica geralmente possui uma estrutura simples, facilitando a operação e manutenção.
III. Leis de Processo de Usinagem Ultrassônica
1. Velocidade de usinagem e fatores de influência:
A velocidade de usinagem refere-se à quantidade de material removido por unidade de tempo e é expressa em mm3/min ou g/min.
Os fatores que influenciam a velocidade de usinagem incluem amplitude e frequência da ferramenta, pressão de alimentação, tipo e tamanho de partícula do abrasivo, material da peça e concentração da suspensão abrasiva.
a. Influência da amplitude e frequência da ferramenta:
Amplitude excessiva e alta frequência podem sujeitar a ferramenta e a haste de amplitude a altas tensões internas. A amplitude está geralmente entre 0,01-0,1 mm e a frequência está entre 16.000-25.000 Hz.
Na usinagem real, é necessário ajustar a frequência de ressonância de acordo com as diferentes ferramentas para obter amplitude máxima e atingir maior velocidade de usinagem.
b. Influência da pressão de alimentação:
A ferramenta deve ter uma pressão de alimentação adequada durante a usinagem. Uma pressão muito baixa aumenta a folga entre a face final da ferramenta e a superfície da peça, reduzindo a força de impacto do abrasivo na peça.
Aumentar a pressão reduz a folga, mas quando a folga diminui até certo ponto, reduzirá a circulação e a velocidade de renovação do abrasivo e do fluido de trabalho, diminuindo assim a produtividade.
c. Influência do tipo de abrasivo e tamanho das partículas:
Diferentes abrasivos podem ser selecionados para materiais com resistência variável durante a usinagem. Maior resistência abrasiva resulta em maior velocidade de usinagem, mas o custo também deve ser considerado. Para processar materiais como pedras preciosas ou diamantes, devem ser usados abrasivos de diamante.
O carboneto de boro é adequado para usinagem de aço endurecido e ligas duras, enquanto os abrasivos de óxido de alumínio são usados para processar materiais como vidro, quartzo, silício e germânio.
d. Influência do material da peça:
Materiais duros e quebradiços são mais fáceis de remover durante a usinagem, enquanto materiais com boa tenacidade são mais difíceis de processar.
e. Influência da concentração da suspensão abrasiva:
Menor concentração de suspensão abrasiva significa menos partículas abrasivas na folga de usinagem, o que pode levar a uma diminuição significativa na velocidade de usinagem, especialmente para grandes áreas de superfície e profundidades profundas.
Aumentar a concentração de abrasivos melhora a velocidade de usinagem, mas uma concentração excessivamente alta pode afetar a circulação e o impacto das partículas abrasivas na área de usinagem, levando a uma diminuição na velocidade de usinagem.
2. Precisão de usinagem e fatores de influência:
A precisão da usinagem ultrassônica é influenciada pela precisão da máquina-ferramenta e do acessório, bem como pelo tamanho das partículas abrasivas, precisão e desgaste da ferramenta, magnitude da vibração lateral, profundidade de usinagem e propriedades do material da peça.
3. Qualidade da superfície:
A usinagem ultrassônica proporciona excelente qualidade superficial, sem gerar camadas superficiais ou marcas de queimadura. A rugosidade da superfície depende principalmente do tamanho das partículas abrasivas, da amplitude ultrassônica e da dureza do material da peça.
Tamanho menor de partícula abrasiva, menor amplitude ultrassônica e material mais duro da peça levam a uma rugosidade superficial melhorada, pois o valor da rugosidade é determinado principalmente pelo tamanho e profundidade das ranhuras deixadas pelo impacto de cada partícula abrasiva no material da peça.
Embora a produtividade da usinagem ultrassônica seja menor em comparação com a usinagem por descarga elétrica e a usinagem eletroquímica, sua precisão de usinagem e qualidade superficial são superiores.
É importante ressaltar que ele pode processar materiais semicondutores e não metálicos duros e quebradiços, como vidro, cerâmica, quartzo, silício, ágata, pedras preciosas e diamantes, que são difíceis de usinar usando outros métodos.
Além disso, é frequentemente empregado nos estágios finais de acabamento de aço endurecido, moldes de liga dura, matrizes de trefilação e moldes de plástico processados por usinagem por descarga elétrica, para reduzir ainda mais a rugosidade superficial.
4. Aplicações de usinagem ultrassônica
1. Usinagem de cavidades e moldes:
A usinagem ultrassônica é usada principalmente para processar furos circulares, furos moldados, cavidades, encaixes e microfuros em materiais frágeis e duros.
2. Processamento de corte:
A usinagem ultrassônica é adequada para cortar materiais frágeis e duros, como cerâmica, quartzo, silício e pedras preciosas, que são difíceis de cortar usando métodos convencionais. Oferece vantagens como fatias finas, cortes estreitos, alta precisão, alta produtividade e custo-benefício.
3. Limpeza ultrassônica:
Este método baseia-se no efeito de cavitação produzido pela solução de limpeza sob a ação de ondas ultrassônicas. O forte impacto gerado pela cavitação atua diretamente na superfície a ser limpa, fazendo com que os detritos se desintegrem e se desprendam da superfície.
Este método é usado principalmente para limpeza de precisão de peças de precisão de pequeno e médio porte com geometrias complexas, onde outros métodos de limpeza são menos eficazes, especialmente para furos profundos, microfuros, furos curvos, furos cegos, ranhuras, fendas estreitas, etc. Proporciona altas taxas de produtividade e purificação.
Atualmente, é aplicado na limpeza de componentes semicondutores e de circuitos integrados, peças de instrumentos, dispositivos eletrônicos de vácuo, componentes ópticos e instrumentos médicos.
4. Soldagem ultrassônica:
A soldagem ultrassônica utiliza vibração ultrassônica para remover a película de óxido da superfície das peças, expondo a superfície do material base. O impacto vibratório de alta velocidade entre as duas superfícies da peça soldada causa aquecimento e ligação por fricção.
Pode ser usado para soldar produtos de náilon, plásticos e alumínio com tendência à formação de filme de óxido. Também pode ser utilizado para aplicar estanho ou prata nas superfícies de cerâmicas e outros materiais não metálicos, melhorando sua soldabilidade.
5. Usinagem composta:
Para aumentar a velocidade de usinagem e reduzir o desgaste da ferramenta ao usinar materiais metálicos duros, como ligas duras e ligas resistentes ao calor, é empregada a usinagem combinada assistida por ultrassom com usinagem eletroquímica ou por descarga elétrica.
Isso é frequentemente usado para usinar furos ou ranhuras estreitas em componentes como injetores de combustível e chapas de trefilação, resultando em produtividade e qualidade significativamente melhoradas.
O corte por vibração ultrassônica (por exemplo, torneamento, furação, corte de rosca) também foi desenvolvido ao longo de várias décadas como uma nova tecnologia para usinagem de precisão e materiais difíceis de cortar, reduzindo forças de corte, rugosidade superficial, desgaste de ferramentas e aumentando a produtividade.
Algumas aplicações comumente usadas incluem torneamento por vibração ultrassônica, retificação por vibração ultrassônica, usinagem ultrassônica de furos profundos, furos pequenos e rosqueamento, entre outras.
